(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が独立に光を変調する複数のピクセル素子を含み、標本と光学的に共役な位置に配置され、共焦点絞りとして機能する空間光変調器と、
前記共焦点絞りの開口パターンを複数のサブ開口パターンに分割し、各走査位置に対して、前記空間光変調器を前記複数のサブ開口パターンの各々に順に制御する制御装置と、
を含み、
前記制御装置は、前記開口パターンを、光路長差の生じる方向への平行移動では互いに重ならない前記複数のサブ開口パターンに分割することを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の走査型共焦点顕微鏡において、
前記制御装置は、前記開口パターンを、光路長差の生じる方向に辺で隣接する前記ピクセル素子が前記標本に前記照明光を導く第１の状態に同時に制御されない前記複数のサブ開口パターンに分割することを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の走査型共焦点顕微鏡において、
さらに、前記標本と前記空間光変調器との間に、対物レンズを含み、
前記制御装置は、前記対物レンズの射出瞳径に応じて、前記開口パターンを変化させることを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の走査型共焦点顕微鏡において、さらに、
前記サブ開口パターンを前記標本に投影する投影光学系と、
前記標本から生じる検出光を検出する光検出器と、
前記空間光変調器と前記光検出器の間に配置され、前記空間光変調器を通過した前記検出光を前記光検出器へ導く検出光学系と、を含み、
前記投影光学系の前記空間光変調器側の開口数は、前記ピクセル素子のサイズ相当の、前記照明光の波長における第１のエアリーディスク径で定まる開口数以上であり、
前記検出光学系の前記空間光変調器側の開口数は、前記ピクセル素子のサイズ相当の、前記検出光の波長における第２のエアリーディスク径で定まる開口数以上であることを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
【請求項５】
請求項４に記載の走査型共焦点顕微鏡において、
前記第１のエアリーディスク径及び前記第２のエアリーディスク径は、それぞれ、前記ピクセル素子の外接円の直径以下であることを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
【請求項６】
請求項５に記載の走査型共焦点顕微鏡において、
前記第１のエアリーディスク径及び前記第２のエアリーディスク径は、それぞれ、前記ピクセル素子の内接円の直径以下であることを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
【請求項７】
請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の走査型共焦点顕微鏡において、
前記投影光学系は、
対物レンズと、
前記投影光学系の前記空間光変調器側の開口数を決める第１のレンズと、
前記対物レンズと前記第１のレンズの間に配置された変倍光学系と、を含むことを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
【請求項８】
請求項７に記載の走査型共焦点顕微鏡において、
前記変倍光学系の倍率は、前記対物レンズの射出瞳径に応じて、予め定められた倍率に変更されることを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
【請求項９】
請求項８に記載の走査型共焦点顕微鏡において、
前記変倍光学系の倍率は、当該変倍光学系内の少なくとも１枚のレンズを当該変倍光学系の光軸方向に移動させることにより、変更されることを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
【請求項１０】
請求項９に記載の走査型共焦点顕微鏡において、
前記変倍光学系の倍率は、当該変倍光学系の光軸上に挿入されているレンズを交換することにより、変更されることを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の走査型共焦点顕微鏡において、さらに、
往復運動により前記標本を走査する走査手段を含み、
前記制御装置は、前記走査手段による前記標本の走査の往路中と復路中で、前記空間光変調器を、異なる前記サブ開口パターンに制御することを特徴とする走査型共焦点顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パターン投影装置、走査型共焦点顕微鏡、及びパターン照射方法の技術に関し、特に、空間光変調装置の制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、パターン刺激装置などの顕微鏡や、レーザリペア装置、露光機などでは、光の空間的分布及び強度（以降、パターンと記す。）を任意に制御し、所望のパターンの光を対象物に照射する技術が必要とされている。そして、このような技術を実現するために空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）が広く利用されている。
【０００３】
空間光変調器は、複数の光変調素子（以降、ピクセル素子と記す。）を有し、ピクセル素子の状態を独立に制御することにより、所望のパターンを形成することができる。このことを利用して、空間光変調器を対象物に投影することにより所望のパターンの光を対象物に照射するさまざまな提案がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、水銀ランプなどの白色光源とデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Micromirror Device、以降、ＤＭＤと記す。）を用いた顕微鏡が開示されている。
【０００５】
ＤＭＤは、ピクセル素子毎に設けられたミラーにより光を偏向することで光を変調する空間光変調器である。図１４Ａは、ＤＭＤの構成を例示する上面概略図であり、図１４Ｂは、図１４Ａに示される断面Ｘ−Ｘ’におけるＤＭＤの断面概略図である。図１４Ａに例示されるように、ＤＭＤ２００には、例えば、一辺Ｌのミラー２０１が辺方向のピッチｐ毎に２次元に複数配列されている。各ミラー２０１は、独立に制御され、不図示の電極との間に生じるクーロン力により回転軸２０２周りに回転する。これにより、各ピクセル素子の状態が、図１４Ｂに例示される入射光２０３を対象物の方向に導くＯＮ状態と、入射光２０３を対象物から逸れる方向に導くＯＦＦ状態のいずれかに制御され、その結果として、所望のパターンを形成することができる。
【０００６】
また、特許文献２では、液晶型の空間光変調器を用いた技術が開示されている。この特許文献で示された液晶型の空間光変調器では、液晶のピクセル素子をダイナミックな回折格子として作用させる。そして、非回折光はブロックされ、回折光のみがパターン形成に寄与する。
特許文献１及び特許文献２で開示される技術を用いることで、所望のパターンの光を対象物に照射することができる。
【０００７】
なお、通常、対象物に照射される光は、単色光であることが望ましく、特許文献１で例示されるように、光源として白色光源が用いられた場合、励起フィルタなどの波長選択素子が必要となる。また、波長選択素子を用いても、照射される光が十分な単色性を有しない場合もある。
このため、光源として、高い単色性を有するレーザ光を射出するレーザ光源を用いる提案がなされている。
【０００８】
例えば、特許文献３では、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などの空間光変調器やデフォーマブルミラーとともにレーザ光源を用いる技術が開示されている。また、特許文献４、特許文献５及び特許文献６では、ＤＭＤとともにレーザ光源を用いる技術が開示されている。また、特許文献７、特許文献８及び特許文献９では、ＤＭＤを走査型共焦点顕微鏡の共焦点絞りとして利用し、共焦点開口を任意に制御する技術が開示されている。
【０００９】
しかしながら、空間光変調器とともにレーザ光源を用いた場合、レーザ光が可干渉性を有し干渉による影響を受けやすいため、所望のパターンが得られないことがある。
【００１０】
例えば、ＤＭＤ２００の場合、図１４Ｂに例示されるように、隣接するピクセル素子（ミラー２０１）で偏向されたレーザ光間で光路長差Δ（＝２ｄｓｉｎθ）が生じ、その結果、レーザ光間で位相のずれが発生してしまう。
【００１１】
特許文献３で示された液晶型の空間光変調器においても、上記ＤＭＤと同様に回折光をパターン形成に使用しているため、隣接するピクセル素子に光路長差が生じる。
【００１２】
このように、回折光学素子として機能する空間光変調器の隣接するピクセル素子で変調されるレーザ光の間に光路長差のある場合には、レーザ光間に位相のずれが生じる。そして、位相のずれたレーザ光が互いに干渉することでパターンが変化してしまう。このため、対象物に照射されるパターンが劣化してしまい、所望のパターンが得られない。
このような実情を踏まえ、レーザ光の干渉によるパターンの劣化を抑制する技術が特許文献１０及び特許文献１１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−１０９３４８号公報
【特許文献２】特開平１０−２６８２６３号公報
【特許文献３】米国特許第６５５５８２６号公報
【特許文献４】特開２００９−０２８７４２号公報
【特許文献５】特開２００３−１０７３６１号公報
【特許文献６】米国特許第６８９８００４号公報
【特許文献７】米国特許第７３３９１４８号公報
【特許文献８】特開２００８−２０３８１３号公報
【特許文献９】特開２００９−２７５７９１号公報
【特許文献１０】特許第４０８４３０３号公報
【特許文献１１】特開２００７−３２９３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特許文献１０で開示される技術は、ランダム化装置を介して、レーザ光を照射することで、干渉によるパターンの劣化を抑制することができる。
【００１５】
しかしながら、一般に、ランダム化装置はレーザ光の位相を経時的にランダムに変化させるものである。このため、レーザ光を一定時間以上照射する場合には効果的であるが、レーザ光を瞬間的に照射し対象物を刺激するレーザ刺激には適さない。
【００１６】
また、特許文献１１で開示される技術は、可変成形マスクとして用いられるＤＭＤ全体を傾ける。これにより、隣接するミラー素子からのレーザ光相互間の光路長差が波長の整数倍となり、位相のずれが補正される。このため、干渉によるパターンの劣化を抑制することができる。
【００１７】
しかしながら、ＤＭＤの最適な傾斜角はレーザ光の波長に依存するため、複数の波長のレーザ光を同時に照射する場合には対応できない。また、ＤＭＤが光軸に対して傾斜して構成されるため、対象物にピントが合う領域が著しく制限されてしまう。また、対象物が焦点面からデフォーカスされた位置にある場合には、干渉によるパターンの劣化を抑制することができない。  
以上のような実情を踏まえ、本発明では、干渉によりパターンが劣化することなく、所望のパターンの光を対象物に照射する技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明の第１の態様は、各々が独立に光を変調する複数のピクセル素子を含み、標本と光学的に共役な位置に配置され、共焦点絞りとして機能する空間光変調器と、共焦点絞りの開口パターンを複数のサブ開口パターンに分割し、各走査位置に対して、空間光変調器を複数のサブ開口パターンの各々に順に制御する制御装置と、を含み、制御装置は、開口パターンを、光路長差の生じる方向への平行移動では互いに重ならない複数のサブ開口パターンに分割する走査型共焦点顕微鏡を提供する。
【００２９】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の走査型共焦点顕微鏡において、制御装置は、開口パターンを、光路長差の生じる方向に辺で隣接するピクセル素子が標本に照明光を導く第１の状態に同時に制御されない複数のサブ開口パターンに分割する走査型共焦点顕微鏡を提供する。
【００３１】
本発明の第３の態様は、第１の態様または第２の態様に記載の走査型共焦点顕微鏡において、さらに、標本と空間光変調器との間に、対物レンズを含み、制御装置は、対物レンズの射出瞳径に応じて、開口パターンを変化させる走査型共焦点顕微鏡を提供する。
【００３２】
本発明の第４の態様は、第１の態様乃至第４の態様のいずれか１つに記載の走査型共焦点顕微鏡において、さらに、サブ開口パターンを標本に投影する投影光学系と、標本から生じる検出光を検出する光検出器と、空間光変調器と光検出器の間に配置され、空間光変調器を通過した検出光を光検出器へ導く検出光学系と、を含み、投影光学系の空間光変調器側の開口数は、ピクセル素子のサイズ相当の、照明光の波長における第１のエアリーディスク径で定まる開口数以上であり、検出光学系の空間光変調器側の開口数は、ピクセル素子のサイズ相当の、検出光の波長における第２のエアリーディスク径で定まる開口数以上である走査型共焦点顕微鏡を提供する。
【００３３】
本発明の第５の態様は、第４の態様に記載の走査型共焦点顕微鏡において、第１のエアリーディスク径及び第２のエアリーディスク径は、それぞれ、ピクセル素子の外接円の直径以下である走査型共焦点顕微鏡を提供する。
【００３４】
本発明の第６の態様は、第５の態様に記載の走査型共焦点顕微鏡において、第１のエアリーディスク径及び第２のエアリーディスク径は、それぞれ、ピクセル素子の内接円の直径以下である走査型共焦点顕微鏡を提供する。
【００３５】
本発明の第７の態様は、第４の態様乃至第６の態様のいずれか１つに記載の走査型共焦点顕微鏡において、投影光学系は、対物レンズと、投影光学系の空間光変調器側の開口数を決める第１のレンズと、対物レンズと第１のレンズの間に配置された変倍光学系と、を含む走査型共焦点顕微鏡を提供する。
【００３６】
本発明の第８の態様は、第７の態様に記載の走査型共焦点顕微鏡において、変倍光学系の倍率は、対物レンズの射出瞳径に応じて、予め定められた倍率に変更される走査型共焦点顕微鏡を提供する。
【００３７】
本発明の第９の態様は、第８の態様に記載の走査型共焦点顕微鏡において、変倍光学系の倍率は、当該変倍光学系内の少なくとも１枚のレンズを当該変倍光学系の光軸方向に移動させることにより、変更される走査型共焦点顕微鏡を提供する。
【００３８】
本発明の第１０の態様は、第９の態様に記載の走査型共焦点顕微鏡において、変倍光学系の倍率は、当該変倍光学系の光軸上に挿入されているレンズを交換することにより、変更される走査型共焦点顕微鏡を提供する。
【００３９】
本発明の第１１の態様は、第１の態様乃至第１０の態様のいずれか１項に記載の走査型共焦点顕微鏡において、さらに、往復運動により標本を走査する走査手段を含み、制御装置は、走査手段による標本の走査の往路中と復路中で、空間光変調器を、異なるサブ開口パターンに制御する走査型共焦点顕微鏡を提供する。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、干渉によりパターンが劣化することなく、所望のパターンの光を対象物に照射する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施例に係るＤＭＤの変調パターンの一例を示す図である。
【図２】図１に例示される変調パターンを２分割して形成されたサブ変調パターンの一例を示す図である。
【図３】図１に例示される変調パターンを３分割して形成されたサブ変調パターンの一例を示す図である。
【図４】図１に例示される変調パターンを４分割して形成されたサブ変調パターンの一例を示す図である。
【図５】本発明の一実施例に係るＤＭＤの開口パターンの一例を示す図である。
【図６】図５に例示される開口パターンを２分割して形成された開口サブパターンの一例を示す図である。
【図７】本発明の一実施例に係るＤＭＤを含むパターン投影装置の制御の一例を示すフローチャートである。
【図８】ＤＭＤが回折格子として作用する様子を示す図である。
【図９】変調光を取り込む光学系の開口数について説明するためのＤＭＤの上面概略図である。
【図１０】実施例１に係るレーザリペア装置の構成を例示する概略図である。
【図１１Ａ】実施例２に係る走査型共焦点顕微鏡の構成を例示する概略図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａで例示される走査型共焦点顕微鏡で用いられる開口サブパターンの一例を示す図である。
【図１２】実施例３に係る走査型共焦点顕微鏡の構成を例示する概略図である。
【図１３】実施例４に係る走査型共焦点顕微鏡の構成を例示する概略図である。
【図１４Ａ】ＤＭＤの構成を例示する上面概略図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａに示される断面Ｘ−Ｘ’におけるＤＭＤの断面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
まず、はじめに、光の波長に依存することなく、所望のパターンの光を対象物に照射するための空間光変調器の制御方法について説明する。なお、以降では、対象物に照射される光のパターンを照射パターンと記し、対象物に投影される空間光変調器のパターンを変調パターン（またはサブ変調パターン）と記す。
【００４５】
図１は、本発明の一実施例に係るＤＭＤの変調パターンの一例を示す図である。図中のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けたもので、ここでは、鉛直方向がＺ軸、水平面がＸＹ平面である。ＤＭＤ１は、ＸＹ平面上に配置されている。
【００４６】
ＤＭＤ１は、所望のパターンの光を標本に照射するためのパターン投影装置に含まれるＤＭＤであり、各々が独立に光を変調する複数のピクセル素子を含んでいる。各ピクセル素子は、例えば、入射光を標本に導く状態（以降、ＯＮ状態（第１の状態）と記す。）と、入射光を標本から逸れた方向に導く状態（以降、ＯＦＦ状態と記す。）のいずれかに制御される。なお、ここで、パターン投影装置は、例えば、パターン刺激顕微鏡や、レーザリペア装置、医療用レーザ照射装置、共焦点顕微鏡などである。
【００４７】
ＤＭＤ１は、光源と標本の間であって、標本と光学的に共役な位置に配置されているため、ピクセル素子のＯＮ／ＯＦＦのパターン（つまり、ＤＭＤ１の変調パターン）がそのまま標本を投影されることになる。従って、ＤＭＤ１の変調パターンを制御することで、標本に任意の照射パターンの光を照射することができる。
【００４８】
図１では、ＤＭＤ１は、標本にひし形状の照明光を照射するための変調パターンＭＰ１に制御されている。ここで、ピクセル素子２はＯＮ状態のピクセル素子を示し、ピクセル素子３はＯＦＦ状態のピクセル素子を示している。このようにＤＭＤ１を制御することで、ピクセル素子２に入射した照明光のみが標本に照射されることになり、標本にひし形状の照射光を照射することができる。
【００４９】
しかしながら、図１４Ａ及び図１４Ｂで上述したように、回折格子として作用するＤＭＤ１では、ピクセル素子（厳密には、ピクセル素子で偏向された照明光）間で光路長差が生じうる。このため、光路長差が生じるピクセル素子で偏向された照明光が互いに干渉することで、照射パターンが劣化してしまう。
【００５０】
そこで、標本に目的の形状の照明光を照射するＤＭＤ１の変調パターンＭＰ１を、複数のサブ変調パターンに分割する。そして、ＤＭＤ１を複数のサブ変調パターンの各々に順に制御する。つまり、変調パターンＭＰ１の代わりに、サブ変調パターンの組み合わせにより、目的の照射パターンを実現する。
【００５１】
異なるサブ変調パターンで変調（偏向）された照明光は、異なるタイミングで標本に照射されるため、これらの照明光は互いに干渉しない。このため、サブ変調パターンを組み合わせる制御は、変調パターンＭＰ１への制御に比べて、照明光間の干渉による照射パターンの劣化を抑制することができる。
以下、図２、図３及び図４を参照しながら、照射パターンの劣化の抑制に効果的なサブ変調パターンについて、具体的に説明する。
【００５２】
なお、図２から図４では、照明光はＸＺ平面と平行に入射するものとする。このため、光路長差は、Ｘ座標が異なるピクセル素子間で生じ、Ｙ座標のみが異なるピクセル素子間では生じない。つまり、図２から図４では、光路長差が生じる方向はＸ方向であり、光路長差が生じない方向はＹ方向である。
【００５３】
図２は、図１に例示される変調パターンＭＰ１を２分割して形成されたサブ変調パターンの一例を示す図である。図２（ａ）では、サブ変調パターンＭＰ２１が例示され、図２（ｂ）では、サブ変調パターンＭＰ２２が例示されている。
【００５４】
なお、ピクセル素子３’は、ピクセル素子３と同様に、ＯＦＦ状態のピクセル素子を示している。ただし、ピクセル素子３は、変調パターンＭＰ１でもＯＦＦ状態に制御されるのに対して、ピクセル素子３’は変調パターンＭＰ１ではＯＮ状態に制御される。
【００５５】
まず、図２（ａ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ２１について説明する。各ピクセル素子は、対角方向（Ｘ方向またはＹ方向）に点で隣接する４つのピクセル素子と、辺で隣接する４つのピクセル素子、計８つのピクセル素子に囲まれている。
【００５６】
なお、本明細書では、“点で隣接するピクセル素子”とは、ピクセル素子の頂点を向かい合わせにして隣接するピクセル素子のことである。“辺で隣接するピクセル素子”とは、ピクセル素子の辺を向かい合わせにして隣接するピクセル素子のことである。また、辺で隣接するピクセル素子では、Ｘ座標もＹ座標も異なる。このため、辺で隣接するピクセル素子は、Ｘ方向に辺で隣接するピクセル素子であるとともに、Ｙ方向にも辺で隣接するピクセル素子である。
【００５７】
ＯＮ状態のピクセル素子２ａに着目すると、隣接するピクセル素子のうち、Ｙ方向に点で隣接する２つのピクセル素子とピクセル素子２ａとの間では光路長差は生じない。このため、サブ変調パターンＭＰ２１では、Ｙ方向に点で隣接する２つのピクセル素子は、ピクセル素子２ａと同様にＯＮ状態に制御される。
【００５８】
残りの６つの隣接するピクセル素子は、ピクセル素子２ａとの間で光路長差が生じる。光路長差はピクセル素子の中心間の距離に比例して増加するが、その一方で、干渉を生じさせる回折光の分布は距離に対してそれ以上に減衰する。このため、ピクセル素子の中心間の距離がより短い、辺で隣接する４つのピクセル素子からの光は、Ｘ方向に隣接する２つのピクセル素子からの光よりも強く、ピクセル素子２ａからの光と干渉する。そこで、サブ変調パターンＭＰ２１では、辺で隣接する４つのピクセル素子は、ピクセル素子２ａと異なるＯＦＦ状態に制御され、Ｘ方向に隣接する２つのピクセル素子は、ＯＮ状態に制御される。
【００５９】
図２（ｂ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ２２は、図２（ａ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ２１を反転したパターンである。つまり、サブ変調パターンＭＰ２２では、サブ変調パターンＭＰ２１と同様に、ＯＮ状態のピクセル素子２と辺で隣接する４つのピクセル素子は、いずれもＯＦＦ状態に制御される。
【００６０】
なお、変調パターンＭＰ１でＯＦＦ状態であったピクセル素子は、サブ変調パターンＭＰ２１及びサブ変調パターンＭＰ２２のいずれにおいても、常にＯＦＦ状態である。
【００６１】
このように、図２で例示されるサブ変調パターンでは、ＯＮ状態のピクセル素子２と辺で隣接する４つのピクセル素子をＯＦＦ状態に制御することで、最も強く干渉する辺で互いに隣接するピクセル素子が同時にＯＮ状態にならないように制御する。これにより、サブ変調パターンの数を最小限に抑えながら、干渉による照射パターンの劣化を抑制することができる。
【００６２】
図３は、図１に例示される変調パターンＭＰ１を３分割して形成されたサブ変調パターンの一例を示す図である。図３（ａ）では、サブ変調パターンＭＰ３１が例示され、図３（ｂ）では、サブ変調パターンＭＰ３２が例示され、図３（ｃ）では、サブ変調パターンＭＰ３３が例示されている。
【００６３】
まず、図３（ａ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ３１について説明する。ＯＮ状態のピクセル素子２ｂに着目すると、隣接するピクセル素子のうち、Ｙ方向に隣接する２つのピクセル素子とピクセル素子２ｂとの間では光路長差は生じない。このため、サブ変調パターンＭＰ３１では、Ｙ方向に隣接する２つのピクセル素子は、ピクセル素子２ｂと同様にＯＮ状態に制御される。
【００６４】
残りの６つの隣接するピクセル素子は、ピクセル素子２ｂとの間で光路長差が生じる。このため、サブ変調パターンＭＰ３１では、これら６つの隣接するピクセル素子は、すべてピクセル素子２ｂと異なるＯＦＦ状態に制御される。
【００６５】
図３（ｂ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ３２は、図３（ａ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ３１においてＯＦＦ状態に制御されていたピクセル素子のうちの一部のピクセル素子がＯＮ状態に制御され、サブ変調パターンＭＰ３１と同様に、ＯＮ状態のピクセル素子に対してＹ方向以外で隣接するピクセル素子がＯＦＦ状態となるひとつのサブ変調パターンである。また、図３（ｃ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ３３は、図３（ａ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ３１および図３（ｂ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ３２においてともにＯＦＦ状態に制御されていたピクセル素子のみをＯＮ状態に制御したサブ変調パターンである。つまり、サブ変調パターンＭＰ３２、サブ変調パターンＭＰ３３では、サブ変調パターンＭＰ３１と同様に、ＯＮ状態のピクセル素子２と辺で隣接する４つのピクセル素子及びＸ方向に隣接する２つのピクセル素子は、いずれもＯＦＦ状態に制御される。
【００６６】
なお、変調パターンＭＰ１でＯＦＦ状態であったピクセル素子は、サブ変調パターンＭＰ３１、サブ変調パターンＭＰ３２、及びサブ変調パターンＭＰ３３のいずれにおいても、常にＯＦＦ状態である。
【００６７】
このように、図３で例示されるサブ変調パターンでは、ＯＮ状態のピクセル素子２と隣接する８つのピクセル素子のうち、光路長差が生じる６つのピクセル素子をＯＦＦ状態に制御することで、干渉が生じる互いに隣接するピクセル素子が同時にＯＮ状態にならないように制御する。これにより、図２で例示されるサブ変調パターンよりも効果的に干渉による照射パターンの劣化を抑制することができる。
【００６８】
図４は、図１に例示される変調パターンＭＰ１を４分割して形成されたサブ変調パターンの一例を示す図である。図４（ａ）では、サブ変調パターンＭＰ４１が例示され、図４（ｂ）では、サブ変調パターンＭＰ４２が例示され、図４（ｃ）では、サブ変調パターンＭＰ４３が例示され、図４（ｄ）では、サブ変調パターンＭＰ４４が例示されている。
【００６９】
まず、図４（ａ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ４１について説明する。ＯＮ状態のピクセル素子２ｃに着目すると、隣接する８つピクセル素子は、すべてピクセル素子２ｃと異なるＯＦＦ状態に制御される。
【００７０】
図４（ｂ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ４２は、図４（ａ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ４１においてＯＦＦ状態に制御されていたピクセル素子のうちの一部のピクセル素子がＯＮ状態に制御され、サブ変調パターンＭＰ４１と同様に、ＯＮ状態のピクセル素子に対して隣接するすべてのピクセル素子がＯＦＦ状態となるひとつのサブ変調パターンである。また、図４（ｃ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ４３は、図４（ａ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ４１及び図（ｂ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ４２において、ともにＯＦＦ状態に制御されていたピクセル素子のうちの一部のピクセル素子がＯＮ状態に制御され、サブ変調パターンＭＰ４１と同様に、ＯＮ状態のピクセル素子に対して隣接するすべてのピクセル素子がＯＦＦ状態となるひとつのサブ変調パターンである。図４（ｄ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ４４は、図４（ａ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ４１および図４（ｂ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ４２および図４（ｃ）に例示されるサブ変調パターンＭＰ４３の全てで、ＯＦＦ状態に制御されていたピクセル素子のみをＯＮ状態に制御したサブ変調パターンである。つまり、サブ変調パターンＭＰ４２、サブ変調パターンＭＰ４３、及びブ変調パターンＭＰ４４では、サブ変調パターンＭＰ４１と同様に、ＯＮ状態のピクセル素子２と隣接する８つのピクセル素子は、いずれもＯＦＦ状態に制御される。
【００７１】
なお、変調パターンＭＰ１でＯＦＦ状態であったピクセル素子は、サブ変調パターンＭＰ４１、サブ変調パターンＭＰ４２、サブ変調パターンＭＰ４３、及びサブ変調パターンＭＰ４４のいずれにおいても、常にＯＦＦ状態である。
【００７２】
このように、図４で例示されるサブ変調パターンでは、ＯＮ状態のピクセル素子２と隣接する８つのピクセル素子をＯＦＦ状態に制御することで、干渉が生じる互いに隣接するピクセル素子が同時にＯＮ状態にならないように制御する。これにより、図３で例示されるサブ変調パターンと同様に、効果的に干渉による照射パターンの劣化を抑制することができる。
【００７３】
以上のように、目的の変調パターンＭＰ１を複数のサブ変調パターンに分割し、ＤＭＤ１を複数のサブ変調パターンの各々に順に制御することで、干渉による照射パターンの劣化を抑制することができる。また、この効果は、特定の波長の照明光に限定されない。任意の波長の照明光のパターンの劣化を抑制することができるため、光の波長に依存することなく、所望のパターンの光を対象物に照射することができる。さらに、この効果は、対象物が焦点面上にある場合に限定されない。対象物が焦点面からデフォーカスされた位置にある場合にも有効である。
【００７４】
なお、サブ変調パターンは、上述した図２から図４で例示されるサブ変調パターンに限定されない。使用するサブ変調パターンは、サブ変調パターンを標本に投影する投影光学系の光学特性に基づいて決定することが望ましい。具体的には、投影光学系の点像分布関数（ＰＳＦ：ＰｏｉｎｔＳｐｒｅａｄＦｕｎｃｔｉｏｎ）を用いて、標本上で生じる照明光の干渉が十分に抑制されるピクセル素子間の間隔を算出し、それに基づいてサブ変調パターンを決定することが望ましい。
【００７５】
一般に、分割数が増えると、ＯＮ状態のピクセル素子間の間隔は大きくなるため、干渉の抑制に効果的であるが、照明光の利用効率の低下や処理時間の増加などが生じる場合がある。また、ＤＭＤ１の動作の高速化などが要求されることもある。このため、ＰＳＦに基づいて、必要最小限の分割数で変調パターンを分割することが望ましい。
【００７６】
図５は、本発明の一実施例に係るＤＭＤの開口パターンの一例を示す図である。図中のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けたもので、ここでは、鉛直方向がＺ軸、水平面がＸＹ平面である。ＤＭＤ４は、ＸＹ平面上に配置されている。
【００７７】
ＤＭＤ４は、走査型共焦点顕微鏡に含まれるＤＭＤであり、各々が独立に光を変調する複数のピクセル素子を含んでいる。ＤＭＤ４は、光源と標本の間であって、標本と光学的に共役な位置に配置されている。このため、ピクセル素子のＯＮ／ＯＦＦのパターンがそのまま標本を投影される点は、ＤＭＤ１と同様である。つまり、走査型共焦点顕微鏡は、パターン投影装置の一種である。ただし、ＤＭＤ４は、標本から生じる検出光（例えば、蛍光など）に対しても作用し、共焦点絞りとして機能する。そこで、共焦点絞りとして機能するＤＭＤ４の変調パターンを、以降では、開口パターン（またはサブ開口パターン）と記す。
【００７８】
図５では、ＤＭＤ４は、標本上の２点を同時に照射して検出するために、２つの共焦点開口が形成された開口パターンに制御されている。ここで、ピクセル素子５はＯＮ状態のピクセル素子を示し、ピクセル素子６はＯＦＦ状態のピクセル素子を示している。２つの共焦点開口は、それぞれ４つのピクセル素子５により形成されている。なお、後述するが、ＤＭＤ４の開口パターンは、ＤＭＤ１の変調パターンと異なり、標本に照射する照明光のパターンなどの照射条件を基準に決定されるものではなく、標本から生じる検出光の検出効率などの検出条件を基準に決定されるものである。
【００７９】
また、ＤＭＤ４は、走査手段としても機能している。図５（ａ）、図５（ｂ）、及び図５（ｃ）は、それぞれ異なる時刻におけるＤＭＤ４の開口パターンＡＰ１、開口パターンＡＰ２、開口パターンＡＰ３を時系列に並べたものであり、開口パターン（共焦点開口）がＹ（−）方向に１ピクセル素子分ずつずれる様子が示されている。
【００８０】
このような共焦点絞りとして機能するＤＭＤ４でも、隣接する複数のピクセル素子を同時にＯＮ状態に制御しているため、ＤＭＤ１と同様に、ピクセル素子間で光路長差が生じうる。このため、光路長差が生じるピクセル素子で偏向された照明光が互いに干渉することで、照射パターンが劣化してしまう。
【００８１】
そこで、共焦点絞りとして機能するＤＭＤ４の開口パターンを複数のサブ開口パターンに分割し、各走査位置に対して、ＤＭＤ４を複数のサブ開口パターンの各々に順に制御する。つまり、サブ開口パターンの代わりに、サブ開口パターンの組み合わせにより、照射パターンを実現する。
【００８２】
異なるサブ開口パターンで変調（偏向）された照明光は、異なるタイミングで標本に照射されるため、これらの照明光は互いに干渉しない。このため、サブ開口パターンを組み合わせる制御は、分割前の開口パターンへの制御に比べて、照明光間の干渉による照射パターンの劣化を抑制することができる。
【００８３】
以下、図６を参照しながら、照射パターンの劣化の抑制に効果的なサブ開口パターンについて、具体的に説明する。なお、図６では、照明光はＸＺ平面と平行に入射するものとする。このため、光路長差は、Ｘ座標が異なるピクセル素子（厳密には、ピクセル素子で偏向された照明光）間で生じ、Ｙ座標のみが異なるピクセル素子間では生じない。つまり、図６では、光路長差が生じる方向はＸ方向であり、光路長差が生じない方向はＹ方向である。
【００８４】
図６は、図５に例示される開口パターンを２分割して形成されたサブ開口パターンの一例を示す図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）では、それぞれ、図５（ａ）で例示される開口パターンＡＰ１を分割したサブ開口パターンＡＰ１１、サブ開口パターンＡＰ１２が例示されている。また、図６（ｃ）及び図６（ｄ）では、それぞれ、図５（ｂ）で例示される開口パターンＡＰ２を分割したサブ開口パターンＡＰ２１、サブ開口パターンＡＰ２２が例示されている。また、図６（ｅ）及び図６（ｆ）では、それぞれ、図５（ｃ）で例示される開口パターンＡＰ３を分割したサブ開口パターンＡＰ３１、サブ開口パターンＡＰ３２が例示されている。
【００８５】
いずれのサブ開口パターンでも、ＯＮ状態のピクセル素子５とＸ方向に辺で隣接するピクセル素子をＯＦＦ状態に制御することで、最も強く干渉する辺で互いに隣接するピクセル素子が同時にＯＮ状態にならないように制御する。これにより、図２で例示される制御と同様に、サブ開口パターンの数を最小限に抑えながら、干渉による照射パターンの劣化を抑制することができる。なお、この場合、サブ開口パターンの各々は、光路長差が発生するＸ方向への平行移動では互いに重ならない。
【００８６】
このように、共焦点絞りとして機能するＤＭＤ４の開口パターンを複数のサブ開口パターンに分割し、各走査位置に対して、ＤＭＤ４を複数のサブ開口パターンの各々に順に制御することで、干渉による照射パターンの劣化を抑制することができる。また、この効果は、特定の波長の照明光に限定されない。任意の波長の照明光のパターンの劣化を抑制することができるため、光の波長に依存することなく、所望のパターンの光を対象物に照射することができる。さらに、この効果は、対象物が焦点面上にある場合に限定されない。対象物が焦点面からデフォーカスされた位置にある場合にも有効である。
【００８７】
なお、サブ開口パターンは、図６で例示されるサブ開口パターンに限定されない。例えば、開口パターンを３分割して、図３で例示される制御と同様に、ＯＮ状態のピクセル素子５とＸ方向に辺で隣接するピクセル素子及びＸ方向に点で隣接するピクセル素子をＯＦＦ状態に制御してもよい。
【００８８】
使用するサブ開口パターンは、サブ変調パターンと同様に、投影光学系の点像分布関数（ＰＳＦ）を用いて、標本上で生じる照明光の干渉が十分に抑制されるピクセル素子間の間隔を算出し、それに基づいて決定することが望ましい。
【００８９】
また、ＤＭＤ４は、走査型共焦点顕微鏡に含まれるＤＭＤであるので、分割前の開口パターンは、標本の形状や標本上の照射対象領域の形状によっては定まらない。開口パターンは、ＤＭＤ４が標本から生じた検出光にも作用することを考慮して決定することが望ましい。
【００９０】
具体的には、例えば、投影光学系に含まれる対物レンズの倍率や（標本側から光が入射した場合の）射出瞳径を基準にして決定してもよい。一般に、対物レンズの倍率が低い場合には、射出瞳径は大きくなり、射出側の開口数も大きくなる。このため、ＤＭＤ４上に集光される光のエアリーディスク径も小さくなる。従って、共焦点開口が比較的小さい開口パターンとすることができる。
【００９１】
一方、対物レンズの倍率が高い場合には、射出瞳径が小さくなり、射出側の開口数も小さくなる。このため、ＤＭＤ４上に集光される光のエアリーディスク径も大きくなる。従って、共焦点開口が比較的大きな開口パターンとする必要がある。共焦点開口が小さいと、回折により広がった検出光が遮断され、十分な量の検出光を検出器へ導くことができないからである。
【００９２】
次に、上述したＤＭＤ１及びＤＭＤ４を含むパターン投影装置の制御の流れについて、図７を参照しながら説明する。図７は、本発明の一実施例に係るＤＭＤを含むパターン投影装置の制御の一例を示すフローチャートである。
【００９３】
所望のパターンの光を対象物に照射するためのパターン投影装置の制御が開始されると、まず、照射領域が設定される（ステップＳ１）。具体的には、変調パターンや開口パターンが設定される。例えば、変調パターンは、標本の形状や標本上の照射対象となる領域の形状に基づいて設定され、開口パターンは、投影光学系に含まれる対物レンズの倍率や射出瞳径および使用される波長を基準にして設定される。また、パターン投影装置が走査型共焦点顕微鏡の場合には、さらに、走査範囲が設定されてもよい。
【００９４】
ステップＳ２では、ステップＳ１で設定された変調パターン（開口パターン）での干渉性が判断される。干渉性の判断は、例えば、投影光学系の点像分布関数ＰＳＦを用いて許容できるピクセル素子間の間隔（以降、許容間隔と記す。）を算出し、ＯＮ状態に制御されるピクセル素子間の最小間隔と比較することにより行われる。
【００９５】
ステップＳ２で干渉性なしと判断された場合（例えば、許容間隔が最小間隔以下である場合）には、ステップＳ７へ遷移し、ＤＭＤをステップＳ１で設定された変調パターンに制御する。これにより、変調パターンが標本に投影され、標本に所望の照射パターンの光が照射される。パターン投影装置が走査型共焦点顕微鏡の場合には、走査位置毎にステップＳ７の処理を行う。その後、制御が終了する。
【００９６】
ステップＳ２で干渉性ありと判断された場合（例えば、許容間隔が最小間隔を上回る場合）には、ステップＳ３へ遷移する。ステップＳ３では、分割パターン（サブ変調パターン、サブ開口パターン）が設定される。例えば、分割パターンは、投影光学系の点像分布関数ＰＳＦを用いて算出されるピクセル素子間の許容間隔に基づいて決定される。
【００９７】
ステップＳ４、ステップＳ５、及びステップＳ６では、ＤＭＤをステップＳ３で設定された分割パターンの各々に順に制御する。これにより、標本に分割パターンに対応する照射パターンの光が順番に標本に照射され、全体として標本に所望の照射パターンの光が照射される。パターン投影装置が走査型共焦点顕微鏡の場合には、走査位置毎にステップＳ４からステップ６の処理を行う。そして、すべての分割パターンが照射されると、その後、制御が終了する。
【００９８】
以上のように、パターン投影装置を制御することで、光の波長に依存することなく、所望のパターンの光を対象物に照射することができる。なお、図７では、干渉性を判断するステップ（ステップＳ２）を設けているが、このステップを省略し、常にパターンを分割してもよい。
次に、ＤＭＤで変調された光を取り込む光学系の好ましい特性について説明する。
【００９９】
図８は、ＤＭＤが回折格子として作用する様子を示す図である。図８に例示されるように、複数のピクセル素子８が配列されたＤＭＤ７は回折格子として作用するため、入射光１０がＤＭＤ７に入射すると、各々独立し離散的な回折光（回折光１１、回折光１２、回折光１３）が生じる。このため、投影光学系９のＤＭＤ７側の開口数が適切でない場合には、ピクセル素子８から生じる回折光を十分に取り込むことができず、光の利用効率が著しく低下してしまう。
【０１００】
従って、投影光学系９のＤＭＤ７側の開口数は、ある程度大きいことが望ましく、回折光が生じる方向がピクセル素子８の対角方向のピッチｄや入射光１０の波長等によって変化することも考慮して決定されることが望ましい。具体的には、投影光学系９のＤＭＤ７側の開口数は、ピクセル素子のサイズ相当の、入射光（照明光）の波長におけるエアリーディスク径によって定まる開口数以上であることが望ましい。さらに具体的には、エアリーディスク径は、ピクセル素子の外接円の直径以下であることが望ましく、ピクセル素子の内接円の直径以下であるとさらに望ましい。
【０１０１】
一般に、エアリーディスク径Ｄと波長λと開口数ＮＡの間には、Ｄ＝１．２２λ／ＮＡの関係にあることが知られている。投影光学系９のＤＭＤ７側の開口数が上記の条件を満たすことで、良好な光の利用効率が確保されるとともに、ピクセル素子を分解できる程度の高い分解能を実現することができる。なお、波長の異なる複数の照明光が利用される場合には、最も長い波長の照明光を基準にして開口数を決定することが望ましい。
【０１０２】
例えば、図９に例示されるような、一辺の長さＬが１２．８８μｍであるピクセル素子８を、対角方向のピッチｄが９．６７μｍ、辺方向のピッチｐが１３．６８μｍとなるように配列したＤＭＤ７に５２５ｎｍの波長を有するレーザ光（照明光）を照射する場合を例に検討する。この場合、エアリーディスク径Ｄをピクセル素子８の外接円１４の直径以下とするためには、投影光学系９のＤＭＤ７側の開口数は、およそ０．０３５以上とすればよい。また、ピクセル素子８の内接円１５の直径以下とするためには、投影光学系９のＤＭＤ７側の開口数は、およそ０．０５以上とすればよい。
また、ＤＭＤが標本から生じる検出光にも作用する場合であれば、ＤＭＤと光検出器の間に配置された検出光学系も同様の特性を有することが望ましい。
【０１０３】
具体的には、検出光学系のＤＭＤ側の開口数は、ピクセル素子のサイズ相当の、入射光（検出光）の波長におけるエアリーディスク径によって定まる開口数以上であることが望ましい。さらに具体的には、エアリーディスク径は、ピクセル素子の外接円の直径以下であることが望ましく、ピクセル素子の内接円の直径以下であるとさらに望ましい。
【０１０４】
なお、空間光変調器としてデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いて説明したが、空間光変調器は、特にこれに限定されない。空間光変調器は、ピクセル素子間で光路長差が生じるものであればよい。
【実施例１】
【０１０５】
図１０は、本実施例に係るレーザリペア装置の構成を例示する概略図である。図１０に例示されるレーザリペア装置１００は、パターン投影装置の一種であり、各々が独立に光を変調する複数のピクセル素子を有するＤＭＤ１０５を含んでいる。
【０１０６】
レーザリペア装置１００は、対物レンズ１０２及び結像レンズ１０３（第１のレンズ）を含む投影光学系１０４と、ワーク１０１（標本）と光学的に共役な位置に配置されたＤＭＤ１０５と、ＤＭＤ１０５のパターンを制御するＤＭＤ駆動装置１０６と、レーザ光をＤＭＤ１０５の全ピクセル素子に照射するリレー光学系１０７と、レーザ光をＤＭＤ１０５に対して所定の角度となる方向へ反射するミラー１０８と、レーザ光を射出するレーザ光源１０９と、レーザ光源１０９を制御するレーザ駆動装置１１０と、シャッター１１１と、シャッター１１１の開閉を制御するシャッター駆動装置１１２と、目的の照射パターンに対応する変調パターンから複数のサブ変調パターンを生成するサブ変調パターン生成装置１１３と、目的の照射パターンに対応する変調パターンを入力する変調パターン入力装置１１４と、を含んで構成されている。
【０１０７】
ＤＭＤ駆動装置１０６と、レーザ駆動装置１１０と、シャッター駆動装置１１２と、サブ変調パターン生成装置１１３と、変調パターン入力装置１１４は、レーザリペア装置１００の制御装置を構成している。
【０１０８】
レーザリペア装置１００では、ＤＭＤ１０５は、制御装置により、図２から図４で例示されるＤＭＤ１のように、ワーク１０１に目的の形状のレーザ光を照射する変調パターンを分割した、複数のサブ変調パターンの各々に順に制御される。これにより、ワーク１０１上でのレーザ光間の干渉が抑制され、所望の照射パターンが実現される。
【０１０９】
より具体的には、レーザリペア装置１００では、ワーク１０１の欠陥部分等を加工するために、ユーザにより所望の照射パターンに対応する変調パターンが入力装置１１４に入力される。これを受けて、サブ変調パターン生成装置１１３は、入力された変調パターンを、照射パターンの劣化を抑制する複数のサブ変調パターンに分割する。生成されたサブ変調パターンは、ＤＭＤ駆動装置１０６に出力され、ＤＭＤ駆動装置１０６は、ＤＭＤ１０５を複数のサブ変調パターンの各々に順に制御する。これにより、ミラー１０８及びリレー光学系１０７を介して、レーザ光が入射するＤＭＤ１０５のサブ変調パターンが、投影光学系１０４により、順番にワーク１０１へ投影されることになる。その結果、レーザ光間の干渉が抑制される。
【０１１０】
なお、サブ変調パターン生成装置１１３で生成されるサブ変調パターンは、上述したように、投影光学系１０４の点像分布関数を用いて、ワーク１０１上で生じるレーザ光の干渉が十分に抑制されるピクセル素子間の間隔を算出し、それに基づいて決定されることが望ましい。例えば、サブ変調パターンは、図２に例示されるようなＯＮ状態のピクセル素子と光路長差が生じる方向に辺で隣接する４つのピクセル素子をＯＦＦ状態に制御するパターンでもよく、図３に例示されるようなＯＮ状態のピクセル素子と隣接する８つのピクセル素子のうち、光路長差が生じる（つまり、光路長差が生じる方向に隣接する）６つのピクセル素子をＯＦＦ状態に制御するパターンでもよい。また、図４に例示されるようなＯＮ状態のピクセル素子と隣接する８つのピクセル素子をすべてＯＦＦ状態に制御するパターンでもよい。
【０１１１】
また、結像レンズ１０３（投影光学系１０４）のＤＭＤ１０５側の開口数は、ある程度大きいことが望ましく、ピクセル素子のサイズ相当の、レーザ光（照明光）の波長におけるエアリーディスク径によって定まる開口数以上であることが望ましい。その場合、エアリーディスク径は、ピクセル素子の外接円の直径以下であることが望ましく、ピクセル素子の内接円の直径以下であるとさらに望ましい。
【０１１２】
以上、レーザリペア装置１００によれば、干渉による照射パターンの劣化を抑制することができる。また、レーザ光の波長に依存することなく、任意の波長のレーザ光を所望のパターンの光としてワーク１０１に照射することができる。また、ワーク１０１が焦点面からデフォーカスされた位置にある場合にも有効である。さらに、結像レンズ１０３のＤＭＤ１０５側の開口数を大きくすることで、ＤＭＤ１０５のピクセル素子から生じるレーザ光（回折光）を十分に取り込むことが可能となり、高い光の利用効率が実現できる。  
【実施例２】
【０１１３】
図１１Ａは、本実施例に係る走査型共焦点顕微鏡の構成を例示する概略図である。図１１Ａに例示される走査型共焦点顕微鏡１５０は、パターン投影装置の一種であり、各々が独立に光を変調する複数のピクセル素子を有するＤＭＤ１５７を含んでいる。
【０１１４】
走査型共焦点顕微鏡１５０は、標本１５１に照明光を照射し標本１５１から生じる検出光（例えば、蛍光）を取り込む対物レンズ１５２と、対物レンズ１５２から射出された検出光を結像する結像レンズ１５３と、対物レンズ１５２の射出瞳径に合わせて設計された瞳投影レンズ１５４と、対物レンズ１５２の光軸に対して直交するＸ方向に標本１５１を走査するガルバノミラー１５５と、検出光をＤＭＤ１５７に集光させるレンズ１５６（第１のレンズ）と、標本１５１と光学的に共役な位置に配置され、共焦点絞りとして機能するＤＭＤ１５７と、ＤＭＤ１５７を制御する制御装置１５７ａと、ＤＭＤ１５７からの検出光を平行光に変換するレンズ１５８と、検出光をダイクロイックミラー１６０に向けて反射するミラー１５９と、照明光を透過し検出光を反射するダイクロイックミラー１６０と、強度が均一で断面形状がライン状の照明光に変換するライン照明光学系１６１と、照明光を射出する光源１６２と、ガルバノミラー１５５の動作と同期して検出光を偏向するガルバノミラー１６３と、検出光をＣＣＤ１６５上に集光させる撮像レンズ１６４と、検出光を検出するＣＣＤ１６５と、を含んで構成されている。
【０１１５】
光源１６２としては、例えば、ランプ光源やレーザ光源を用いることができる。また、ライン照明光学系１６１は、少なくとも１つのパウエルレンズを含む光学系、または、少なくとも１つのシリンドリカルレンズを含む光学系、または、少なくとも１つのレンズアレイを含む光学系である。
【０１１６】
まず、走査型共焦点顕微鏡１５０において、光源１６２から射出された照明光が標本１５１に照射され、標本１５１から生じた検出光がＣＣＤ１６５で検出されるまでの流れについて簡単に説明する。
【０１１７】
光源１６２から射出された照明光は、ライン照明光学系１６１でライン状の照明光に変換され、ダイクロイックミラー１６０を透過してミラー１５９に入射する。ミラー１５９は、照明光をＤＭＤ１５７に対して所定の角度となる方向へ反射する。ミラー１５９を反射した照明光は、レンズ１５８によりＤＭＤ１５７上に紙面に対して直交する方向を長手方向としてライン状に集光する。ＤＭＤ１５７は検出光に対して共焦点開口となるピクセル素子のみがＯＮ状態に制御されている。ＤＭＤ１５７のＯＮ状態のピクセル素子へ入射した照明光は、レンズ１５６へ向けて射出され、ガルバノミラー１５５、瞳投影レンズ１５４、結像レンズ１５３を介して対物レンズ１５２に入射する。対物レンズ１５２は、照明光を標本１５１上に集光させ、検出光を生じさせる。
【０１１８】
標本１５１から生じる検出光は、対物レンズ１５２に入射する。そして、照明光と同じ経路を反対方向に進行し、ＤＭＤ１５７へ入射する。ＤＭＤ１５７は、共焦点絞りとして機能するため、照明光が集光された位置から生じた検出光のみがレンズ１５８へ向けて射出される。そして、ＤＭＤ１５７から射出された検出光は、レンズ１５８、ミラー１５９を介してダイクロイックミラー１６０へ入射する。ダイクロイックミラー１６０は検出光を反射する特性を有している。このため、検出光はダイクロイックミラー１６０で反射され、ガルバノミラー１６３を介して撮像レンズ１６４に入射する。検出光は、撮像レンズ１６４によりＣＣＤ１６５上に集光され、ＣＣＤ１６５によって検出される。
【０１１９】
なお、走査型共焦点顕微鏡１５０では、往復運動により標本１５１上を走査するガルバノミラー１５５はＸ方向への走査手段として機能し、ＤＭＤ１５７は開口パターン内の共焦点開口の位置を上述した長手方向に移動させることでＹ方向への走査手段として機能する。つまり、走査型共焦点顕微鏡１５０は、ガルバノミラー１５５とＤＭＤ１５７を用いて標本１５１上を２次元に走査する。また、図示しない、ワーク１０１を載置するステージの移動機構、または対物レンズ１０２の移動機構により、Ｚ軸方向への走査を行う。
【０１２０】
また、ガルバノミラー１６３は、ガルバノミラー１５５の動作と同期して検出光をＸ方向に偏向する。これにより、検出光のＣＣＤ１６５での集光位置を、照明光の標本１５１上での集光位置に対応して変化させることができる。
【０１２１】
走査型共焦点顕微鏡１５０では、ＤＭＤ１５７は、制御装置１５７ａにより、図６で例示されるＤＭＤ４のように、走査位置毎に、共焦点絞りの開口パターンを分割した複数のサブ開口パターンの各々に順に制御される。また、図１１Ｂに例示されるように、開口パターンを分割した複数のサブ開口パターンをガルバノミラー１６３による走査の往路と復路に割り当てもよい。
【０１２２】
図１１Ｂは、走査型共焦点顕微鏡１５０で用いられる開口サブパターンの一例を示す図であり、ＤＭＤ１５７のＹ方向を長手方向とするライン状の領域Ｒに照明光が照射されている様子が示されている。ＤＭＤ１５７は、図１１Ｂ（ａ）に例示されるサブ開口パターンＡＰａ、図１１Ｂ（ｂ）に例示されるサブ開口パターンＡＰｂ、図１１Ｂ（ｃ）に例示されるサブ開口パターンＡＰｃの順に制御される。なお、ＤＭＤ１５７は、サブ開口パターンＡＰａ及びサブ開口パターンＡＰｃは、ガルバノミラー１６３による走査の復路に割り当てられ、サブ開口パターンＡＰｂは、ガルバノミラー１６３による走査の往路に割り当てられている（走査方向Ｓを参照）。
【０１２３】
このような制御により、走査位置毎に、ＤＭＤ１５７のサブ開口パターンが、順番に標本１５１へ投影されることになり、標本１５１上での照明光間の干渉が抑制される。その結果、所望の照射パターンが実現される。また、ＤＭＤ１５７は、標本１５１から生じる検出光にも作用する。このため、走査位置毎に、ＤＭＤ１５７のサブ開口パターンが、順番にＣＣＤ１６５へ投影されることになり、検出光間の干渉も抑制される。また、ＤＭＤ１５７は、検出光に対して最適な開口径に制御された共焦点絞りとして機能する。このため、高分解能で明るい画像を得ることができる。
【０１２４】
なお、開口パターンは、ＤＭＤ１５７が標本１５１から生じた検出光に作用することを考慮して決定されることが望ましい。例えば、制御装置１５７ａは、標本１５１とＤＭＤ１５７の間にある対物レンズ１５２の倍率や（標本側から光が入射した場合の）射出瞳径に応じて開口パターンを変化させてもよい。射出瞳径が小さい場合には、共焦点開口が比較的大きな開口パターンを用いることが望ましい。これにより、検出光の光量が十分に確保されるため、明るい画像を得ることができる。
【０１２５】
また、サブ開口パターンは、対物レンズ１５２、結像レンズ１５３、瞳投影レンズ１５４、レンズ１５６からなる投影光学系の点像分布関数を用いて、標本１５１で生じる照明光の干渉が十分に抑制されるピクセル素子間の間隔を算出し、それに基づいて決定されることが望ましい。例えば、サブ開口パターンは、図６に例示されるようなＯＮ状態のピクセル素子とＸ方向（光路長差が生じる方向）に辺で隣接するピクセル素子をＯＦＦ状態に制御するパターンでもよい。
【０１２６】
さらに、瞳投影レンズ１５４、結像レンズ１５３、及び対物レンズ１５２とともに、投影光学系を構成するレンズ１５６のＤＭＤ１５７側の開口数も、ある程度大きいことが望ましい。具体的には、ピクセル素子のサイズ相当の、照明光の波長におけるエアリーディスク径（第１のエアリーディスク径）によって定まる開口数以上であることが望ましい。エアリーディスク径は、ピクセル素子の外接円の直径以下であることが望ましく、ピクセル素子の内接円の直径以下であるとさらに望ましい。これにより、ＤＭＤ１５７で変調された照明光を十分に取り込むことができるため、光源１６２から射出された照明光を効率良く標本１５１へ導くことができる。
【０１２７】
さらに、撮像レンズ１６４とともに検出光学系を構成するレンズ１５８のＤＭＤ１５７側の開口数は、ある程度大きいことが望ましい。具体的には、ピクセル素子のサイズ相当の、検出光の波長におけるエアリーディスク径（第２のエアリーディスク径）によって定まる開口数以上であることが望ましい。エアリーディスク径は、ピクセル素子の外接円の直径以下であることが望ましく、ピクセル素子の内接円の直径以下であるとさらに望ましい。これにより、ＤＭＤ１５７で変調された検出光を十分に取り込むことができるため、標本１５１で生じる検出光を効率良くＣＣＤ１６５へ導くことができる。また、走査型共焦点顕微鏡１５０の分解能も最適化することができる。
【０１２８】
撮像レンズ１６４は、ＤＭＤ１５７の１つのピクセル素子がＣＣＤ１６５の１画素以下となるような倍率に設計されることが望ましい。これにより、意図しない最終画像におけるサブ開口パターンの解像を抑え、画像に生じる縞状のムラを低減することができる。
【０１２９】
以上、走査型共焦点顕微鏡１５０によれば、干渉による照射パターンの劣化を抑制することができる。また、照明光の波長に依存しないため、任意の波長の照明光を所望のパターンの光として標本１５１に照射することができる。また、標本１５１が焦点面からデフォーカスされた位置にある場合にも有効である。さらに、レンズ１５６及びレンズ１５８のＤＭＤ１５７側の開口数を大きくすることで、ＤＭＤ１５７のピクセル素子から生じる回折光を十分に取り込むことが可能となり、高い光の利用効率が実現できる。  
【０１３０】
なお、図１１Ａでは、照明光を透過し検出光を反射するダイクロイックミラー１６０が例示されているが、ダイクロイックミラー１６０の特性は、特にこれに限られない。照明光を反射し検出光を透過するダイクロイックミラーが用いられても良い。ただし、照明光を透過し検出光を反射するダイクロイックミラーを用いる場合、ダイクロイックミラーは、照明光に対して平行光束中の平行平板として作用する。このため、ミラー１５９に対する照明光の角度が維持されるとともに、収差も発生しないため、好ましい。
【実施例３】
【０１３１】
図１２は、本実施例に係る走査型共焦点顕微鏡の構成を例示する概略図である。図１２に例示される走査型共焦点顕微鏡１７０は、パターン投影装置の一種であり、各々が独立に光を変調する複数のピクセル素子を有するＤＭＤ１５７を含んでいる。
【０１３２】
なお、走査型共焦点顕微鏡１７０は、実施例２に係る走査型共焦点顕微鏡１５０の変形例である。従って、走査型共焦点顕微鏡１５０と共通する構成要素については、同一の符号を付与し、説明を省略する。
【０１３３】
走査型共焦点顕微鏡１７０は、投影光学系内に、対物レンズの切り替えに伴って倍率を変更する変倍光学系１７３（変倍光学系１７３ａ、変倍光学系１７３ｂ）を含む点が実施例２の走査型共焦点顕微鏡１５０と異なっている。変倍光学系１７３は、対物レンズとレンズ１５６（第１のレンズ）の間に配置され、対物レンズの射出瞳径に応じて、予め定められた倍率に変更される。
【０１３４】
より具体的には、対物レンズ１７１が使用される場合には、対物レンズ１７１の射出瞳径に応じて予め定められた倍率を有する変倍光学系１７３ａが光路上に挿入される。また、対物レンズ１７２が使用される場合には、対物レンズ１７２の射出瞳径に応じて予め定められた倍率を有する変倍光学系１７３ｂが光路上に挿入される。
【０１３５】
これにより、対物レンズの射出瞳径にあわせた最適な照明が実現される。このため、射出瞳でケラレが生じて照明効率が低下することや、射出瞳径が十分に満たされず、標本１５１側での分解能が低下することなどを防止することができる。また、変倍光学系１７３は検出光にも同様に作用するため、照明光に対する検出光の検出効率の低下やＣＣＤ１６５側での分解能の低下なども防止することもできる。
【０１３６】
なお、図１２では、対物レンズの射出瞳径に応じて、光路上に挿入される変倍光学系を交換することによって、変倍光学系１７３の倍率を変更する例が示されているが、特にこれに限られない。変倍光学系１７３を可変ズーム光学系として構成し、変倍光学系１７３内の少なくとも１枚のレンズを変倍光学系１７３の光軸方向に移動させることにより、倍率を切替えてもよい。
【０１３７】
また、図１２では、走査型共焦点顕微鏡１７０が、瞳投影レンズ１５４とは別に、変倍光学系１７３を含む例が示されているが、特にこれに限られない。瞳投影レンズ１５４に代えて、変倍光学系１７３と瞳投影レンズ１５４の機能を併せ持つ変倍光学系を含んでもよい。
【０１３８】
以上、走査型共焦点顕微鏡１７０によれば、実施例２の走査型共焦点顕微鏡１５０と同様の効果を得ることができる。また、変倍光学系１７３の倍率を対物レンズの射出瞳径に応じて変更することで、対物レンズが切り替えられた場合であっても、最適な照明を実現することができる。
【実施例４】
【０１３９】
図１３は、本実施例に係る走査型共焦点顕微鏡の構成を例示する概略図である。図１３に例示される走査型共焦点顕微鏡１８０は、パターン投影装置の一種であり、各々が独立に光を変調する複数のピクセル素子を有するＤＭＤ１５７を含んでいる。
【０１４０】
なお、走査型共焦点顕微鏡１８０は、実施例２に係る走査型共焦点顕微鏡１５０の変形例である。従って、走査型共焦点顕微鏡１５０と共通する構成要素については、同一の符号を付与し、説明を省略する。
【０１４１】
走査型共焦点顕微鏡１８０は、ライン照明光学系１６１の代わりに面照明光学系１８１を、ガルバノミラー１５５及びガルバノミラー１６３の代わりにミラー１８２及びミラー１８３を含む点が実施例２の走査型共焦点顕微鏡１５０と異なっている。
【０１４２】
また、走査型共焦点顕微鏡１８０は、制御装置１５７ａにより、ＤＭＤ１５７が開口パターン内の共焦点開口の位置をＸ方向及びＹ方向に移動させる走査手段として機能する点も走査型共焦点顕微鏡１５０と異なっている。
【０１４３】
なお、走査型共焦点顕微鏡１８０は、ＤＭＤ１５７が、走査位置毎に、開口パターンを分割した複数のサブ開口パターンの各々に順に制御される点は、実施例２の走査型共焦点顕微鏡１５０と同様である。
【０１４４】
面照明光学系１８１は、強度が均一で断面形状が平面状の照明光に変換する光学系である。面照明光学系１８１は、２つのパウエルレンズを含む光学系、または、２つのシリンドリカルレンズを含む光学系、または、１つまたは２つのレンズアレイを含む光学系として構成されてもよい。この場合、照明光の断面形状は、ＤＭＤ１５７の輪郭と同様に、方形状となる。
【０１４５】
また、面照明光学系１８１は、光源１６２から射出された照明光を、断面形状が円形状の照明光に変換しても良い。その場合、照明光は、ＤＭＤ１５７の輪郭の外接円よりも大きい円形状の断面を有することが望ましい。
【０１４６】
以上、走査型共焦点顕微鏡１８０によれば、実施例２の走査型共焦点顕微鏡１５０と同様の効果を得ることができる。また、ＤＭＤ１５７がＸ方向及びＹ方向を走査する走査手段として機能することで、他の走査手段が不要となり、走査型共焦点顕微鏡１８０の構成を簡素化することができる。
【０１４７】
なお、ＤＭＤ１５７は、検出光学系の光軸に対して所定の角度だけ傾いていて、その結果、検出光学系の焦点面も、ＤＭＤ１５７に対して傾いている。このため、本実施例のように、ＤＭＤ１５７をＸ方向及びＹ方向に走査する走査手段として利用する構成は、検出光学系の焦点深度が深い場合に有効である。
また、実施例３に係る走査型共焦点顕微鏡１７０と本実施例に係る走査型共焦点顕微鏡１８０を組み合わせた構成としてもよい。
図１３に例示される変倍光学系１７３は、対物レンズとレンズ１５６（第１のレンズ）の間に配置され、対物レンズの射出瞳径に応じて、予め定められた倍率に変更される。変倍光学系１７３の倍率を対物レンズの射出瞳径に応じて変更することで、対物レンズが切り替えられた場合であっても、最適な照明を実現することができる。
【符号の説明】
【０１４８】
１、４、７、１０５、１５７・・・ＤＭＤ、２、３、３’、５、６、８・・・ピクセル素子、ＭＰ１・・・変調パターン、ＭＰ２１、ＭＰ２２、ＭＰ３１、ＭＰ３２、ＭＰ３３、ＭＰ４１、ＭＰ４２、ＭＰ４３、ＭＰ４４、ＡＰ１、ＡＰ２、ＡＰ３・・・開口パターン、ＡＰ１１、ＡＰ１２、ＡＰ２１、ＡＰ２２、ＡＰ３１、ＡＰ３２、ＡＰａ、ＡＰｂ、ＡＰｃ・・・サブ開口パターン、９、１０４・・・投影光学系、１０・・・入射光、１１、１２、１３・・・回折光、１４・・・外接円、１５・・・内接円、１００・・・レーザリペア装置、１０１・・・ワーク、１０２、１５２、１７１、１７２・・・対物レンズ、１０３、１５３・・・結像レンズ、１０６・・・ＤＭＤ駆動装置、１０７・・・リレー光学系、１０８、１５９、１８２、１８３・・・ミラー、１０９・・・レーザ光源、１１０・・・レーザ駆動装置、１１１・・・シャッター、１１２・・・シャッター駆動装置、１１３・・・サブ変調パターン生成装置、１１４・・・変調パターン入力装置、１５０、１７０、１８０・・・走査型共焦点顕微鏡、１５１・・・標本、１５４・・・瞳投影レンズ、１５５、１６３・・・ガルバノミラー、１５６、１５８・・・レンズ、１６０・・・ダイクロイックミラー、１６１・・・ライン照明光学系、１６２・・・光源、１６４・・・撮像レンズ、１６５・・・ＣＣＤ、１７３、１７３ａ、１７３ｂ・・・変倍光学系、１８１・・・面照明光学系
【図１】
0005393406.tif 000002
【図２】
0005393406.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005393406.tif 000009
【図９】
0005393406.tif 000010
【図１０】
0005393406.tif 000011
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
0005393406.tif 000014
【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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